universidad nacional del centro del perú

i

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

TESIS

Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico

PRESENTADO POR LOS BACHILLERES:

CRUZADO SANCHEZ STEPHANIE KATIA RIOS BUENDIA JORGE EDUARDO

HUANCAYO-PERÚ 2017

INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA Y CONCENTRACIÓN DEL Al

O

EN LA EFICIENCIA

DE UN COLECTOR SOLAR PLANO POR

TERMOSIFÓN

ii

_____________________________________________________

ASESOR:

Dr. WILDER EFRAÍN EUFRACIO ARIAS

_____________________________________________________

iii

DEDICATORIA

A mis padres, Fabián y Primitiva porque creyeron en mí y porque me sacaron adelante, dándome ejemplos dignos de superación y entrega, hoy puedo ver alcanzada mi meta, ya que siempre estuvieron impulsándome en los momentos más difíciles de mi carrera, y porque el orgullo que sienten por mí, fue lo que me hizo ir hasta el final.

A mis hermanos: Marcelino, Darío, Juan y Luz gracias por haber fomentado en mí el deseo de superación y el anhelo de triunfo en la vida, mil palabras no bastarían para agradecerles su apoyo, su comprensión y sus consejos en los momentos difíciles.

A todos, y espero contar siempre con su valioso apoyo, sincero e incondicional.

Jorge A Dios, porque sin él nada sería

posible.

A mis padres, Cesar y Katia por mi ejemplos de perseverancia y constancia que los caracterizan y por haberme dado todo su amor siempre.

A mi hermana, Carol por ser el mejor regalo que Dios me pudo dar.

A mi tío, Luis por ser un ejemplo de nobleza y valor para salir adelante.

A mi mamita Antonia por ser la mejor persona de este mundo.

¡Esto es por ustedes!

Stephanie

iv

AGRADECIMIENTO

Le agradezco a Dios por haberme permitido vivir hasta este día, haberme guiado a lo largo de mi vida.

Le doy gracias a mis padres César y Katia por apoyarme en todo momento, por los valores que me han inculcado, y por haberme dado la oportunidad de tener una excelente educación en el transcurso de mi vida.

A mi hermana por apoyarme en aquellos momentos de necesidad y por ser la mejor compañera y mejor amiga de este mundo.

Gracias Doctor Wilder Eufracio por creer en Jorge y en mí, por habernos brindado la oportunidad de desarrollar nuestra tesis profesional, por el apoyo y facilidades que nos otorgó, pero sobre todo gracias por la paciencia que tuvo con nosotros.

Stephanie

Le agradezco a Dios por darnos vida, salud y la alegría de haber concluido nuestro trabajo de investigación. A nuestros queridos padres por el apoyo incondicional en el logro de nuestros objetivos.

A nuestro asesor Dr. WILDER EFRAÍN EUFRACIO ARIAS por su paciencia y apoyo en esta etapa de nuestra carrera, la cual nos permitió adquirir conocimientos de investigación que serán útiles en nuestra vida profesional.

A nuestra gloriosa UNCP y docentes que nos brindaron sus conocimientos, experiencias que nos ayudarán a ser competentes a lo largo de nuestra vida profesional.

Jorge

v RESUMEN

La presente investigación titulada “Influencia del tamaño de partícula y concentración del Al2O3 en la eficiencia de un colector solar plano por termosifón”, tiene como objetivo determinar la influencia que tienen el tamaño de partícula y concentración del Al2O3 en la eficiencia de un colector solar plano por termosifón. Para ello, se determinó el tamaño de partícula y concentración del Al2O3 para una mayor eficiencia de un colector solar plano por termosifón, la eficiencia de un colector solar plano por termosifón que utiliza una solución de Al2O3 y se estableció la relación que existe entre el tamaño de partícula y concentración del Al2O3 y la eficiencia de un colector solar plano.

En la parte experimental se utilizó un colector solar de placa plana de una capacidad 130L, pero se preparó y experimentó con una mezcla de 100 L de agua-Al2O3 con un pH de 4. El diseño experimental de la investigación es 33, con dos repeticiones. Los niveles de la variable tamaño de partícula de Al2O3 son: 20 nm, 3 μm y 5μm; y de la concentración de Al2O3 son: 0,10%; 0,15% y 0,20%. En total se realizaron 21 experimentaciones (uno por día), de ellas, para efectos de comparación, se experimentó durante 3 días sólo con agua potable. En cada experimento, la mezcla agua-Al2O3 a diferentes concentraciones y tamaño de partícula, se alimentó al colector solar y durante 5 horas se registró la radiación solar y temperatura del agua del tanque de almacenamiento utilizando un sistema de recolección de datos, en intervalos de 10 y 30 s, respectivamente.

A partir de los resultados, a mayor concentración del Al2O3 en el fluido de trabajo; entre 0,10%; 0,15% y 0,20; no hay un incremento significativo en la eficiencia de un colector solar plano. Respecto al tamaño de partícula del Al2O3, no se incrementa significativamente la eficiencia del colector solar cuando el fluido de trabajo son mezclas de agua-Al2O3 cuyo tamaño de partícula es 3 ó 5 µm, pero para 20 nm, la eficiencia se incrementa ligeramente; de 35,98% al 43,83%; cuando se compara sólo agua potable y la mezcla con Al2O3 de 20 nm. Por lo que se sugiere investigar para nanopartículas de menor tamaño y mayores concentraciones.

vi

INTRODUCCIÓN

El desarrollo de sistemas que operan utilizando energía solar, ha avanzado para contrarrestar las constantes crisis energéticas que a nivel mundial se han venido presentando desde fines del siglo XX y para mitigar la contaminación ambiental. Por eso en estos tiempos, hablar del uso de energías renovables es un tema de actualidad y es en ese marco que se desarrolló la presente tesis, la cual pretende ser un aporte para el aprovechamiento de la energía solar y la aplicación de estas tecnologías en nuestro medio con el fin de lograr un mejor nivel de vida, específicamente en el calentamiento indirecto del agua para diversos fines.

La nanotecnología es la ciencia que permite estudiar la materia a nivel de átomo y molécula (tamaños inferiores a 100 nm). Aquí es donde aparecen las nanopartículas que pueden llevar a cambiar las propiedades de forma sorprendente, por ello son un área de intensa investigación científica, debido a una amplia variedad de aplicaciones potenciales en campos tales como: biomédicos, ópticos, electrónicos, nanoquímica o agricultura.

Un nanofluido es una mezcla de una nanopartícula que puede ser cobre, aluminio, plata y óxidos, entre otros; y un fluido anfitrión como el agua, aceite o etilenglicol. Si se utiliza un nanofluido (caloportador) en un colector solar, considerando que sus propiedades térmicas (densidad, calor específico, conductividad térmica y viscosidad) dependen del tamaño de las partículas suspendidas, forma y concentración, su eficiencia energética mejoraría considerablemente porque depende de los coeficientes convectivos de transferencia de calor. Por lo que en la tesis, se determinó la influencia del tamaño de partícula y concentración del Al2O3 en la eficiencia de un colector solar plano por termosifón.

El presente informe se dividió en 3 capítulos, en el primer capítulo se detalla la revisión bibliográfica realizada donde se presenta los antecedentes de la investigación, bases teóricas y conceptuales; el segundo capítulo involucra la parte experimental y en el tercer capítulo se presenta el tratamiento de datos y discusión de resultados. Finalmente, se detallan las conclusiones y recomendaciones.

vii OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL

 Determinar la influencia que tienen el tamaño de partícula y concentración del Al2O3 en la eficiencia de un colector solar plano por termosifón.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

 Determinar el tamaño de partícula y concentración del Al2O3para una mayor eficiencia de un colector solar plano por termosifón.

 Determinar la eficiencia de un colector solar plano por termosifón que utiliza una solución de Al2O3.

 Establecer la relación que existe entre el tamaño de partícula y concentración del Al2O3 y la eficiencia de un colector solar plano.

viii SIMBOLOGIA

q = Rapidez de transferencia de calor (W)

k = Conductividad térmica del material de la pared (W/m.°C) A = Área de la pared normal al flujo de calor (m²)

x T



 = Gradiente de temperatura en dirección del flujo de calor

h = Coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m².ºC) Tw = Temperatura de la superficie del cuerpo (ºC)

T = Temperatura del fluido que rodea el cuerpo (ºC) Eb = Potencia emisiva de un cuerpo negro (W/m²) σ = Constante de Stefan-Boltzmann (W/m².K⁴) Ts = Temperatura de la superficie (K)

E = Potencia emisiva de una superficie real (W/m²)

ε = Emisividad (adimensional) Gabs = Radiación absorbida (W/m²)

α = Absortividad (adimensional)

G = Radiación total que incide sobre el cuerpo (W/m²)

qrad = Velocidad neta de transferencia de calor por radiación(W/m²) Talr = Temperatura de los alrededores (K)

T1 = Temperatura de superficie pequeña (K)

T2 = Temperatura de superficie isotérmica más grande (K) hr = Coeficiente de transferencia de calor por radiación

f o

m = Flujo másico del fluido del colector solar (kg/s) Cpf = Calor específico del fluido del colector solar (J/kg.K) Tfi = Temperatura de entrada del fluido (ºC o K)

Tfo = Temperatura de salida del fluido (ºC o K) tr = Instante de salida del Sol (s)

ts = Instante de puesta del Sol (s)

v = Fracción en volumen de las nanopartículas

w = Fracción en peso de las partículas

ix ρf = Densidad del fluido (g/cm³) ρp = Densidad de las partículas (g/cm³)

Cp.p = Calor específico de las partículas (J/kg.ºC) Cp.f = Calor específico del fluido (J/kg.ºC) RS = Radiación solar (W/m²)

RSH = Radiación solar que incide en la horizontal (W/m²)

RSCS = Radiación solar que incide en la superficie del colector solar (W/m²) Ta = Temperatura del agua promedio del tanque de almacenamiento (ºC o K) S = Condición de la radiación solar de un día soleado o claro

N = Condición de la radiación solar de un día nublado

PN = Condición de la radiación solar de un día parcialmente nublado RSHa = Radiación solar acumulada que incide en la horizontal (MJ)

RSCSa = Radiación solar acumulada que incide en la superficie del colector solar (MJ)

Qa = Calor sensible ganado por la mezcla agua-Al2O3 del colector solar (MJ) ηRSH = Eficiencia del colector solar de placa plana por termosifón respecto a

radiación solar que incide en la horizontal (%)

ηRSCS = Eficiencia del colector solar de placa plana por termosifón respecto a radiación solar que incide en la superficie del colector solar (%)

Tfa =

La temperatura final del agua de la parte superior del tanque de almacenamiento (ºC o K)

x INDICE

DEDICATORIA iii

AGRADECIMIENTO iii

RESUMEN v

INTRODUCCIÓN vi

OBJETIVOS vii

SIMBOLOGIA viii

INDICE x

Indice de Tablas xiii

Indice de Figuras xv

Indice de Gráficas xv

CAPITULO I

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

1.1 Antecedentes 17

1.2 Bases teóricas que fundamentan la investigación 20

1.2.1 Radiación solar. 20

a) Origen. 20

b) Características. 20

c) Tipos de la radiación solar. 21

d) Usos de la energía solar. 22

e) Radiación solar en el Perú. 25

1.2.2 Instrumentos de medición. 27

a) Medidas de Radiación Solar. 27

b) Sensores. 30

c) Disponibilidad de sensores en el mercado. 31

1.2.3 Modos de Transferencia de Calor. 33

a) Ley de Fourier-Conducción. 33

b) Ley de Newton-Convección. 34

c) Ley de Stefan-Boltzmann-Radiación. 34

1.2.4 Principales técnicas de conversión de la radiación solar a térmica. 38

a) Circulación natural (termosifón). 38

b) Circulación forzada. 39

1.2.5 Colectores solares. 40

a) Clasificación de los colectores solares. 40

xi

1.2.6 Orientación e inclinación. 47

1.2.7 Colectores solares de placa plana. 48

a) Características de los colectores solares de placa plana. 49

b) Partes de los colectores de placa plana. 53

1.2.8 Nanotecnología. 59

a) Definición. 59

b) Características. 60

c) Aplicaciones. 61

1.2.9 Nanopartícula. 62

a) Clasificación. 63

1.2.10 Nanofluidos. 65

a) Origen. 65

b) Materiales. 66

c) Propiedades. 66

d) Dispersión de nanopartículas en líquidos. 75

e) Aplicación de nanofluidos para sistemas de intercambio térmico. 76

f) Ventajas e inconvenientes de los nanofluidos. 81

g) Desafíos y posibilidades de estudios futuros. 83

1.2.11 Óxido de Aluminio. 84

a) Definición. 84

b) Síntesis de alúmina. 84

c) Aplicación de nanopartículas de alúmina. 85

1.3 Bases conceptuales 85

CAPITULO II PARTE EXPERIMENTAL

2.1 Materiales 87

2.2 Reactivos 87

2.3 Equipos e instrumentos 87

2.4 Procedimiento 87

2.5 Diseño de Investigación. 91

CAPITULO III

TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

3.1 Presentación, análisis e interpretación de los datos 94

3.1.1 Aspectos descriptivos de las variables. 94

xii

3.1.2 Estimaciones. 96

3.2 Proceso de la prueba de hipótesis 99

3.3 Discusión de resultados 103

CONCLUSIONES 106

RECOMENDACIONES 107

BIBLIOGRAFÍA 108

ANEXOS 112

Anexo A: Fotografías 113

Anexo B: Calibración del sensor de radiación solar 118

Anexo C: Gráfica de Mediciones Expermentales 119

Anexo D: Hoja de datos de seguridad del material (MSDS) 125

xiii

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Propiedades de algunos recubrimientos superficiales utilizados en los colectores

solares de placa plana 37

Tabla 2. Propiedades de algunos materiales transparentes para cubiertas de los colectores

solares de placa plana 37

Tabla 3. Clasificación de los colectores solares de acuerdo al grado de concentración 41 Tabla 4. Clasificación de los colectores de placa plana de acuerdo al medio de

transferencia 44

Tabla 5. Comparación entre los diferentes tipos de colectores de placa plana 49

Tabla 6. Propiedades de materiales aislantes comunes 58

Tabla 7. Aplicación de nanoparticulas 79

Tabla 8. Características del colector solar de placa plana 90

Tabla 9. Niveles de las variables 91

Tabla 10. Diseño Experimental 92

Tabla 11. Experimentaciones en el colector solar de placa plana por termosifón de las

pruebas en blanco 92

Tabla 12. Experimentaciones en el colector solar de placa plana por termosifón 93 Tabla 13. Promedios de las mediciones y principales estadísticos descriptivos respecto a la

temperatura de salida del agua en pruebas en blanco 94

Tabla 14. Promedios de las mediciones y principales estadísticos descriptivos respecto a la

temperatura de salida del agua 95

Tabla 15. Estimaciones de radiación solar acumulada, calor ganado y eficiencia en las

pruebas en blanco 96

Tabla 16. Estimaciones de radiación solar acumulada, calor ganado y eficiencia 96 Tabla 17. Promedios de las mediciones o estimaciones, considerando el tamaño de

partícula y concentración de Al2O3 98

Tabla 18. Promedios de las mediciones o estimaciones para cada tamaño de partícula de

Al2O3 99

Tabla 19. Resultados de las experimentaciones 99

Tabla 20. Pruebas de normalidad respecto al tamaño de partícula 100 Tabla 21. Pruebas de normalidad respecto a la concentración 100 Tabla 22. Prueba de homogeneidad de varianza respecto al tamaño de partícula 101 Tabla 23. Prueba de homogeneidad de varianza respecto a la concentración 101

Tabla 24. Pruebas de efectos inter-sujetos 102

xiv

Tabla 25. Comparaciones múltiples respecto al tamaño de partícula 102 Tabla 26. Comparaciones múltiples respecto a la concentración 103

xv

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Conversión de la radiación solar en otras formas de energía. 23

Figura 2. Estructura de un Pirheliómetro 28

Figura 3.Esquema de un piranómetro. 29

Figura 4. Piranómetros con distintos dispositivos de sombra para medida de la radiación

difusa. 29

Figura 5. PiranómetroMiddleton modelo EP-07. 30

Figura 6. Sensores tipo PLC UV/VIS. 32

Figura 7. Radiómetro. 32

Figura 8. Sensor ML8511 33

Figura 9. Esquema de la circulación natural y circulación forzada. 39 Figura 10. Clasificación de los colectores solares en función del número de cubiertas. 41

Figura 11. Equipamiento del colector solar. 42

Figura 12. Partes de un colector solar de placa plana. 43

Figura 13. Clasificación de un colector de placa plana. 45

Figura 14. Colector de concentración. 46

Figura 15. Colector solar de placa plana. 48

Figura 16. Configuraciones convencionales de los colectores solares de placa plana. 49 Figura 17. Modos de transferencia de calor en el colector solar. 53 Figura 18. Regresión de los datos del sensor de radiación solar. 118

INDICE DE GRAFICAS

Gráfica 1. Mediciones de la experimentación del día 12/12/2016 (Nº 2). 119 Gráfica 2. Mediciones de la experimentación del día 20/12/2016 (Nº 9). 119 Gráfica 3. Mediciones de la experimentación del día 27/12/2016 (Nº 14). 120 Gráfica 4. Mediciones de la experimentación del día 07/01/2017 (Nº 21). 120 Gráfica 5. Temperatura final del agua y energía acumulada para el día 12/12/2016. 121 Gráfica 6. Eficiencia respecto a la radiación solar para el día 12/12/2016. 121 Gráfica 7. Temperatura final del agua y energía acumulada para el día 20/12/2016. 122 Gráfica 8.Eficiencia respecto a la radiación solar para el día 20/12/2016. 122 Gráfica 9.Temperatura final del agua y energía acumulada para el día 27/12/2016. 123 Gráfica 10.Eficiencia respecto a la radiación solar para el día 27/12/2016. 123 Gráfica 11.Temperatura final del agua y energía acumulada para el día 07/01/2017. 124 Gráfica 12. Eficiencia respecto a la radiación solar para el día 07/01/2017. 124

xvi

INDICE DE FOTOGRAFIAS

Fotografía 1. Módulo Experimental y Sistema de recolección de datos 89 Fotografía 2. Sistema: colector solar de placa – tanque de almacenamiento. 113 Fotografía 3. Preparación de la mezcla: Agua-Al2O3, controlando pH=4 113

Fotografía 4.Multitester 114

Fotografía 5.Solarímetro 114

Fotografía 6. Recolector de datos y sensores de temperaturas 115

Fotografía 7. Sensor de radiación solar 115

Fotografía 8. Óxido de Aluminio (3um) 116

Fotografía 9. Óxido de Aluminio (5um) 116

Fotografía 10. Óxido de Aluminio (20nm) 117

17 CAPITULO I

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1 Antecedentes

Guerra (2012) en su investigación titulada: “Evaluación del efecto de un nanofluido en el desempeño térmico de un colector solar y un intercambiador de calor” estudia experimentalmente los desempeños térmicos de un intercambiador de calor y de un colector solar, utilizando un nanofluido como fluido de trabajo. El nanofluido producido fue óxido de aluminio (Al2O3) en agua con nanopartículas de 5 nm al 0,5% (% en peso).

En esta investigación se realizaron tres experimentos, él primero fue un estudio de conductividad térmica del nanofluido producido; segundo consistió en armar un sistema de pruebas con un intercambiador de calor de tubo y coraza (2 pasos en tubo y coraza) para estudiar la transferencia de calor con agua y con nanofluido y, en el último experimento, se determinó la eficiencia de un colector solar (marca Green One Tec Modelo FK8231) bajo las condiciones climáticas de la ciudad de Monterrey, Nuevo León (México) utilizando agua y nanofluido. Los resultados que se obtuvieron durante la investigación demostraron un aumento en la conductividad térmica del nanofluido del 1,53% comprobando la mejora de las características térmicas del mismo. En el intercambiador de calor se obtuvieron valores de calor Q, del parámetro UA, de ε y NTU consiguiendo aumentos del 4,01%; 15,55%; 6,59% y 10,23%, respectivamente, indicando nuevamente el aumento del desempeño térmico cuando se usa nanofluido.

Finalmente, al evaluar la eficiencia del colector solar utilizando nanofluido se consiguió un aumento del 5,4% comparado con la eficiencia alcanzada con el agua. Concluyó mencionando que en el intercambiador de calor se obtuvieron valores de calor Q, del parámetro UA, de ε y NTU para las dos líneas del sistema (fría y caliente), con agua y nanofluido, consiguiendo un aumento en UA del 4,01%; en UA del 15,55%; de ε en 6,59% y NTU en 10,23% lo que nos indica, demostrando así el aumento en la transferencia de calor utilizando nanofluido.

Said, Saidur, Sabiha, Hepbasli & Rahim (2015) en su investigación titulada: “Energy and exergy efficiency of a flat plate solar collector using pH treated Al2O3 nanofluid”

mencionan que la aplicación de nanofluido para aumentar el rendimiento térmico de un colector solar tradicional está recibiendo una enorme atención entre la comunidad científica. El Al2O3 y el agua, como fluido de trabajo y su efecto en las eficiencias de energía y exergía de un colector solar de placa plana fueron examinadas experimentalmente. La fracción de volumen utilizada para este estudio fue de 0,1% y

18

0,3%, mientras que el tamaño de las nanopartículas fue 13 nm. Los experimentos se realizaron utilizando un nanofluido estable, que se obtuvo mediante el control del pH de la solución durante un período de 30 días. Las velocidades de flujo de masa del nanofluido variaron de 0,5 a 1,5 kg/min. La eficiencia energética y la exergía de un colector solar de placa plana con agua y nanofluidos como fluidos de trabajo fueron emparejados. Los resultados revelaron que nanofluidos aumentaron la eficiencia de energía en un 83,5% para 0,3% v/v y 1,5 kg/min, mientras que la eficiencia de exergía se ha mejorado hasta en un 20,3% para 0,1% v/v y 1 kg/min. El estudio experimental se llevó a cabo para evaluar las eficiencias energéticas, exergéticas y el efecto de control del pH en Al2O3 y H2O como un medio de trabajo en un calentador de agua solar de placa plana. El efecto de la tasa de flujo másico, las nanopartículas de fracción de volumen, y el efecto del pH sobre la eficiencia energética y la exergía del colector fueron examinados. La estabilidad obtenida del nanofluido fue más de un mes. La mejora la conductividad térmica, obtenida por KD2 Pro, es directamente proporcional a

% v/v y sobretensiones hasta 6,8% con 0,3% v/v de Al2O3.Cabe resaltar que este estudio se ejecuta en el análisis de la eficiencia energética y exergética de un colector solar de placa plana usando pH controlado para Al2O3 y H2O, teórica y experimentalmente. De acuerdo con ello, dado el funcionamiento cambiante y las condiciones atmosféricas que pueden ocurrir en la práctica, la probabilidad de obtener resultados diferentes hay que tenerlas en cuenta, con el fin de determinar el efecto de las variables alteradas en la eficiencia del colector y de los parámetros característicos del colector solar.

Said, Saidur & Rahim (2016) en su investigación titulada: “Energy and exergy analysis of a flat plate solar collector using different sizes of aluminium oxide based nanofluid” realizaron un estudio utilizando una fracción de volumen del 0,1% para el tamaño de las nanopartículas (13 nm y 20 nm), respectivamente. Las velocidades de flujo de masa del nanofluido variaron de 0,5 a 1,5 kg/min. Los experimentos se llevaron a cabo utilizando un nanofluido estable. La estabilidad del nanofluido se obtuvo controlando el pH de la solución. En la investigación experimental se utilizaron Al2O3, casi esférica, base de metal traza al 99% con un diámetro medio de 20 nm, se utilizó agua destilada como fluido base. También se utilizó ácido clorhídrico (HCl-37%). Se han aplicado métodos físicos y químicos para obtener nanofluidos estables tales como una adición de tensoactivo; modificación superficial de las partículas suspendidas;

aplicar fuerza fuerte sobre los racimos de las partículas suspendidas. Para reducir la agregación y mejorar el comportamiento de dispersión de las nanopartículas de Al2O3

19

suspendidas en el fluido base, se empleó una solución de control de pH y homogeneizador de alta presión (capacidad hasta 2000 bar) para optimizar las nanopartículas de dispersión (0,1%), ambas nanopartículas de Al2O3 (13 nm y 20 nm) con 0,1 vol. A una solución de pH 4 (fluido base) para obtener una solución homogéneamente dispersada, después la solución pasó a través de varios ciclos durante 30 minutos en un homogeneizador de alta presión. Realizaron una investigación experimental para investigar el rendimiento térmico de un colector solar de placa plana usando agua desionizada y un nanofluido Al2O3 basado en agua con diferentes tamaños como líquido de trabajo. Los experimentos se llevaron a cabo utilizando un nanofluido estable, la estabilidad del nanofluido se obtuvo controlando el pH de la solución. Las velocidades de flujo de masa del nanofluido variaron de 0,5 a 1,5 kg/min. Las tendencias que muestra el nanofluido con diferentes tamaños se deben al hecho de que las nanopartículas con tamaños más pequeños sumergidas en el fluido base mejoraron la conductividad térmica, lo que resultó en una mayor ley y una segunda ley en comparación con las nanopartículas de mayor tamaño y agua. El nanofluido Al2O3-H2O (13 nm) con fracción volumétrica al 0,1% ya una velocidad de flujo de 1,5 kg/min mostró la mayor eficiencia energética de aproximadamente 73,7%, en comparación con el nanofluido Al2O3-H2O (20 nm), que mostró una eficiencia energética de 70,7%. El nanofluido Al2O3-H2O (13 nm) con fracción volumétrica al 0,1% ya una velocidad de flujo de 1,0 kg/min mostró la mayor eficiencia de la segunda ley de aproximadamente 20,3%, en comparación con el nanofluido Al2O3-H2O (20 nm) que mostró el 15,8%.

Estos hallazgos allanan el camino para una mayor optimización del colector solar de placa plana utilizando nanofluido estable con tamaños más pequeños y serían útiles para el desarrollo de sistemas de calefacción de agua solar eficientes energéticamente.

Modak, Srinivasan & Garg (2015) en su investigación titulada: “Experimental investigation of heat transfer characteristics of the hot surface using Al2O3– waternanofluids” llevaron a cabo una investigación experimental para analizar las características de transferencia de calor de una lámina de acero inoxidable vertical caliente mediante chorros circulares de agua pura y nanofluidos de Al2O3-agua. Las características locales de transferencia de calor se calculan a partir de las imágenes térmicas obtenidas de la cámara de imágenes térmicas infrarrojas (A655sc, Sistema FLIR). Se observa que el aumento de la tasa de transferencia de calor se obtiene mediante el uso de diversos aditivos, tales como aceite, sales, surfactante, nanopartículas y alcoholes en el refrigerante convencional. Los aditivos se utilizan

20

principalmente para optimizar las propiedades termofísicas del refrigerante para aumentar la velocidad del calor. Informaron que para una concentración de 10% en masa de nanofluido de Al2O3-agua, el número de Nusselt aumentó en un 100% con un número de 8000 Reynolds. El objetivo del presente estudio es utilizar un valor más bajo de la concentración de nanofluidos de Al2O3-agua (F = 0,15% y 0,6%) para evaluar el comportamiento de transferencia de calor de los chorros de choque circular de superficie libre. En este caso, utilizaron una lámina de acero inoxidable caliente vertical como muestra de ensayo. La técnica de imagen térmica (FLIR A655s) se utilizó para medir la temperatura de la superficie. Realizaron ensayos para diferentes valores de concentración de nanopartículas (F = 0,15% y 0,6%), el número de Reynolds varía entre 5000 y 12000 para diferentes distancias de boquilla a placa, sobre la base del estudio experimental, se propuso una correlación para el número de Nusselt. A una temperatura de fluido más alta, el movimiento browniano de las nanopartículas se intensifica, por lo tanto la micro convección aumenta conduciendo a un aumento de la conductividad térmica de los nanofluidos. Los resultados indicaron que las características de transferencia de calor de los nanofluidos de Al2O3-agua fueron mejor comparadas con el agua de manera óptima.

1.2 Bases teóricas que fundamentan la investigación 1.2.1 Radiación solar.

a) Origen.

La radiación solar tiene su origen en el Sol, que es una esfera gaseosa de 1391000 km de diámetro, una de las más de 135000 millones de estrellas de la Vía Láctea.

El Sol es un inmenso reactor de fusión termonuclear que quema cada segundo 6×10⁸ TM de hidrógeno a 2×10⁷ K. La radiación que emite tarda algo más de 8 min en alcanzar nuestro planeta, a razón de 3×10⁵ km/s. De la radiación solar sólo llega un 51,6% a la superficie de la tierra. Los restantes 48,4% se pierde como reflexión (31%) y absorción (17,4%) en la capa de aire. La intensidad del Sol se mide en kW/m²o por MJ/m².(Larrea & Bayas, 2011, pág. 2)

b) Características.

La energía solar presenta dos características especiales muy importantes que la diferencian de las fuentes energéticas convencionales: dispersión e intermitencia.

 Dispersión: En condiciones favorables, la densidad de la energía del Sol es alrededor de 1000 W/m², un valor muy por debajo del que se requiere para producir trabajo. Esto significa que, para obtener densidades energéticas

21

elevadas, se necesitan grandes superficies de captación, o sistemas de concentración de los rayos solares.

 Intermitencia: La energía solar no es continua, lo cual hace necesario sistemas de almacenamiento. (Guzmán, 2009, pág. 8)

Deben considerarse dos fuentes de variación de la radiación extraterrestre. La primera es la variación en la radiación emitida por el Sol. Hay reportes contradictorios en la literatura sobre las variaciones periódicas intrínsecas de la radiación solar. Se ha sugerido que hay variaciones pequeñas (menor a ±1.5%) con diferentes periodicidades y variaciones relacionadas a las manchas solares.

Las mediciones de los satélites Nimbus y Mariner de diferentes periodos y meses muestran variaciones dentro de los límites de ±0.2% en los instantes cuando la actividad de las manchas solares fue muy baja. La información de Hickey et al.

(1982) de 2,5 años del satélite Nimbus 7 sugieren que la constante solar disminuye mínimamente, en una razón aproximada de 0,02% por año. Para propósitos de ingeniería, en vista de la incertidumbre y variabilidad de la transmisión atmosférica, la energía emitida por el Sol puede considerarse constante. La segunda es la variación de la distancia de la tierra al Sol, sin embargo, genera una variación del flujo de la radiación extraterrestre en el rango de ±3,3%. (Duffie & Beckman, 2006, págs. 7-8)

c) Tipos de la radiación solar.

Hay diferentes tipos y terminologías de la radiación solar, en función de las transformaciones que sufre al incidir en la atmósfera terrestre, y son los siguientes:

 Radiación directa: Se recibe directamente del Sol. Para medir la radiación directa se utilizan los términos de irradiancia, rapidez de incidencia de energía radiante sobre una superficie (W/m²), e irradiación, cantidad de energía radiante por unidad de área (J/m²). Estos valores dependen del clima y de las condiciones meteorológicas, de la altura sobre el nivel del mar y de la horizontalidad de la superficie colectora, entre otras cosas.

 Radiación difusa: Se recibe del Sol después de ser desviada por dispersión atmosférica.

 Radiación reflejada o terrestre: Proviene del reflejo de objetos terrestres.

 Radiación total: Es la suma de las radiaciones directa, difusa y reflejada.

22

 Radiación global: Es la suma de las radiaciones directa y difusa. Esta radiación se utiliza para el cálculo de colectores solares. (Loayza, 2012).

d) Usos de la energía solar.

En el presente panorama, la crisis energética es predominante debido a que las fuentes convencionales de energía como combustibles fósiles se agotan en una velocidad más acelerada. También, el uso de estos combustibles, afecta negativamente nuestro ambiente dando como resultado el calentamiento global, reducción drástica de la capa de ozono, lluvias ácidas, etc. Por lo tanto, hay una necesidad de enfocarnos en otras fuentes de energías no convencionales y renovables. La energía solar encuentra su aplicación sobre campos diversos.

(Vendan, Shunmuganathan, Manojkumar, & Shiva, 2012, pág. 539)

El presente escenario de la energía en el mundo exhibe que la mayoría de requerimientos de energía son los combustibles fósiles, los cuales ahora no pueden formarse a una velocidad significativa. También estos combustibles fósiles no son ambientalmente amigables y emiten una cantidad significativa de contaminantes causando serios asuntos medioambientales como el calentamiento global, reducción drástica de la capa de ozono y cambio climático. Las fuentes renovables de energía, con ventajas de ser ambientalmente amigables y abundantes en su disponibilidad, es la opción prometedora para responsabilizarse de la demanda creciente de energía en todo el mundo. Sin embargo, los sistemas de energías renovables presentan baja eficiencia de conversión, por consiguiente usar los sistemas de energías renovables para aplicaciones de la vida real en forma regular requiere consideraciones especiales.(Park, Pandey, Tyagi, & Tyagi, 2014, pág. 106)

Actualmente, la energía renovable es considerada como la clave para un futuro energético sostenible. Puede tener un impacto beneficioso en los temas ambientales, económicos y políticos del mundo. El aumento del precio del combustible fósil (sólido, líquido o gaseoso), el cambio climático, los impactos ambientales adversos (en resumen el respeto de los acuerdos de Kyoto) hace la exploración de una manera sostenible para utilizar la energía más importante que nunca.(Dagdougui, Ouammi, Robba, & Sacile, 2011, pág. 631)

La energía de radiación solar es una forma de las fuentes de energías renovables (RES). Puede ser ampliamente utilizada por ejemplo para el calentamiento de agua en sistemas de agua caliente, piscinas así como también fuentes de energía

23

de soporte para instalaciones de calefacción. La energía de la radiación solar se convierte a calor con colectores solares. Actualmente los colectores más usados son los de placa plana de líquido (opera con tubos en paralelo o en serpentín) y estructuras basadas en el vacío.(Zima & Dziewa, 2010, pág. 47)

Soteris (como se citó en Dagdougui, Ouammi, Robba, &Sacile, 2011) plantea que los beneficios derivados de la instalación y operación de sistemas de energías renovables se pueden clasificar en tres categorías: ahorro de energía, generación de nuevos puestos de trabajo, y disminución de la contaminación ambiental.

La energía solar puede ser utilizada en tres procesos tecnológicos: químicos, eléctricos y térmicos (Figura 1). Proceso químico, a través de la fotosíntesis, mantiene la vida en la Tierra mediante la producción de alimentos y la conversión de CO2 en O2. Proceso eléctrico, utilizando convertidores fotovoltaicos, proporciona la energía para naves espaciales y se utiliza en muchas aplicaciones terrestres. Proceso térmico se puede utilizar para proporcionar gran parte de la energía térmica necesaria para el calentamiento solar de agua y de calefacción de edificios. Otra forma de conversión de la radiación solar es en energía mecánica como viento y vapores de agua.(Jesko, 2008, pág. 22)

Figura 1. Conversión de la radiación solar en otras formas de energía.

Fuente: (Jesko, 2008, pág. 22)

También, y aunque pueda parecer extraño, otra de las más prometedoras aplicaciones de la energía solar es la refrigeración durante las épocas cálidas precisamente cuando más radiación solar incide sobre la Tierra. En efecto, para obtener frío hace falta disponer de un “foco cálido”, el cual puede perfectamente tener su origen en unos colectores solares instalados en el tejado o azotea. En los países árabes ya funcionan acondicionadores de aire que utilizan eficazmente la energía solar.

Energía solar

Energía química Energía eléctrica Energía mecánica Energía térmica

24

Las aplicaciones agrícolas son muy amplias, con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y más tempranas cosechas; los secadores agrícolas consumen mucho menos energía si se combinan con un sistema solar, y, por citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. Las celdas fotovoltaicas también juegan un papel muy importante, generando energía eléctrica que puede utilizarse para bombeo de agua, para el ganado o para las cosechas.

La industria ha entendido la necesidad mundial de contaminar menos y al mismo tiempo de evaluar tecnologías alternas para el ahorro de energía. La industria solar ha estado por mucho tiempo a la saga de otras fuentes de energía, pero cada vez es más visible el avance de los proyectos construidos que utilizan la energía solar ya sea para calentar agua u obtener energía eléctrica.

Desde hace algún tiempo, en los países del mundo se instalan y operan económicamente las centrales solares térmicas en el rango de megavatios. Pero la explotación de la energía solar es también para aplicaciones que varían específicamente según la demanda: como calefacción de invernaderos y establos, secado de productos agrícolas, instalaciones fotovoltaicas para la generación de corriente sin depender de la red, operación de máquinas frigoríficas de alto rendimiento, climatización y abastecimiento de vapor en lavanderías o empresas industriales.(Peña, 2007, págs. 14-15)

Con la industria solar se ha desarrollado un nuevo sector industrial en Alemania.

Tan sólo desde 1998 se han invertido alrededor de cinco mil millones de euros en la construcción de fábricas solares y centrales solares. La producción de células solares en fábricas alemanas creció desde 1998 en 156 veces, y se esperan aumentos considerables en la producción. (…). Hoy en día trabajan aproximadamente 42500 personas en el sector solar. Aunque Alemania no es en absoluto un país ideal para la exploración de la energía solar debido a su ubicación geográfica con una radiación solar limitada, se pudo formar aquí el mercado solar térmico más grande de Europa. En el caso de la generación de corriente fotovoltaica, Alemania asume incluso el segundo lugar a nivel mundial después de Japón. Las prestaciones y los suministros de exportación de la industria solar alemana abarcan la planificación, construcción, equipamiento, tecnología de plantas, operación, supervisión, paquetes de financiamiento y capacitaciones.(Peña, 2007, págs. 20-21)

25 e) Radiación solar en el Perú.

Perú está considerado entre los seis países con mayor incidencia de energía solar en el planeta. Al encontrarse entre el paralelo 0º 08’ latitud norte y 18º 13’ latitud sur, dentro de los trópicos, dispone de energía solar con poca variación anual, en comparación con las latitudes medias y altas. Los valores extremos de radiación solar, son en promedio de 1340 y 1350W/m² durante los meses de verano e invierno, respectivamente; esto es ignorando la presencia de la capa atmosférica.

Esta poca variación se atribuye al hecho que en estas latitudes los rayos solares son casi perpendiculares a la superficie terrestre durante todo el año, dando lugar a una máxima incidencia de la radiación solar por unidad de área y tiempo.

La presencia de la atmósfera reduce considerablemente la radiación solar incidente sobre la superficie de la Tierra, puesto que la atmósfera, en función a sus constituyentes gaseosos y aerosoles presentes en ella, tiene la capacidad de absorber, dispersar y reflejar la radiación solar. La cantidad de radiación transmitida por la atmósfera es menor si mayor es la concentración de ozono, vapor de agua, dióxido de carbono y aerosoles en la atmósfera. La concentración y cantidad de los tres últimos disminuye con la altitud, por esta razón en el Perú, debido a su orografía la radiación solar incidente aumenta considerablemente en la sierra peruana. Esta región se encuentra principalmente entre los 2000 y 3000 m de altitud y ocupan un 30% del territorio nacional. En las zonas de mayor altitud;

como la meseta Titicaca y las Pampas de Junín, la radiación incidente es mucho mayor.

La intensidad y cantidad de radiación solar incidente sobre la superficie es también controlada por la clase y cantidad de nubes presentes durante el día, y aquellas predominantes durante el año. En la costa peruana, específicamente en Pisco-Ica y costa norte, el cielo está despejado casi todo el año permitiendo una mayor incidencia de radiación solar. En el resto de la costa baja, la radiación solar incidente aumenta de invierno a verano por efectos estacionales y la disminución de la nubosidad. En la sierra y ceja de selva, la nubosidad es mínima o nula en el invierno y la cantidad de vapor de agua es muy pequeña. Las nubes predominantes en la sierra y selva son de corta vida durante el verano, lo cual no disminuye mucho la radiación incidente sobre la superficie. (Ministerio de Energía y Minas, 2003)

26

Por convención internacional, las latitudes del hemisferio sur, austral o meridional se consideran negativas. Perú se extiende desde la latitud más septentrional o más al norte de 0º 01’ 48’’ S (Talweg del río Putumayo al norte de la confluencia de los ríos Güepi y Putumayo en la frontera con Colombia, provincia de Maynas, departamento de Loreto), hasta la latitud más meridional o más al sur de 18º 21’

03’’ S (hito Nº 1 de la Concordia, frontera con Chile, a la orilla del mar, inmediatamente al sur del paraje llamado Pascana de Hueso, provincia de Tacna, departamento de Tacna).

La segunda y última coordenada necesaria para definir la ubicación de una localidad sobre la superficie de la Tierra es la longitud, que es la medida del meridiano terrestre en que se encuentra un lugar específico. Perú se extiende desde la localidad más oriental o más al este en la longitud 68º 39’ 27’’ O (confluencia de los ríos Heath y Madre de Dios, provincia de Tambopata, departamento de Madre de Dios), hasta la localidad más occidental o más al oeste en la longitud 81º 19’ 34’’ O (Punta Pariñas o Balcones, provincia de Talara, departamento de Piura).

También recordemos que existen definidos 24 meridianos alrededor de la Tierra, empezando a contarse de Greenwich (barrio de Londres). El tiempo registrado para medianoche en el meridiano de Greenwich se conoce como el tiempo civil o estándar de Greenwich, TCG o tiempo universal, y sabemos que este tiempo se expresa en la escala de una hora desde 0 hasta 24. Así, las 0 horas es la medianoche, y las 12 horas es el mediodía. Cada uno de los meridianos se traza a cada 15º siendo así que el Sol tarda 1 hora en pasar cada uno de ellos. Se definen los husos horarios de la Tierra coincidentes con estas divisiones, al Oeste del huso horario de Greenwich está el primer huso horario oeste con tiempo internacional de 1 hora menos que Greenwich. Perú se encuentra en el quinto huso horario oficial, es decir, a cinco husos que equivale a 75º al oeste de Greenwich o a 5 horas atrás del tiempo de Greenwich. (Universidad Pontificia Católica del Perú, 2003)

27 1.2.2 Instrumentos de medición.

“La radiación solar al nivel del suelo se suele medir actualmente con diferentes tipos de aparatos, con características y grados de precisión diversos, utilizados en estaciones meteorológicas y en laboratorios especializados”(Perez, 2014, pág. 8).

a) Medidas de Radiación Solar.

Los radiómetros solares son los instrumentos utilizados para medir la radiación solar, y tienen como objetivo medir la energía asociada a la radiación incidente sobre un plano con una orientación dada, así como dar información acerca de la distribución espectral y espacial de dicha energía. Estos instrumentos suelen convertir la energía de la radiación incidente en otra forma de energía que se pueda medir convenientemente mediante el empleo de sensores.

Un sensor es un dispositivo capaz de transformar una magnitud física en una señal eléctrica o digital, de más fácil lectura y almacenamiento. Los sensores más utilizados en los instrumentos de medida de la radiación solar son los termoeléctricos y los fotoeléctricos.

Un sensor termoeléctrico consiste en la unión por sus extremos de dos metales diferentes (termopar). Una de las uniones está conectada térmicamente a una superficie metálica pintada de negro y la otra unión se mantiene en contacto con una superficie metálica protegida de la radiación. De acuerdo con el denominado efecto Seebeck se produce una fuerza electromotriz entre dichas soldaduras proporcional a la diferencia de temperaturas. Como la fuerza electromotriz producida por un solo termopar es pequeña, se colocan en serie varios de ellos, formándose así lo que se conoce como termopila. Para tener condiciones estables es necesario mantener a la soldaduras frías a una temperatura constante, o bien, dotar a la termopila de un sistema de compensación térmico. Las principales ventajas de los sensores termoeléctricos son la pequeña dependencia de su respuesta con la temperatura ambiente, y la relación lineal entre la radiación incidente y la respuesta del instrumento.

Pirheliómetros

Los pirheliómetros son dispositivos de tipo telescópico con una apertura de pequeño diámetro que miden la radiación solar directa en incidencia normal. La superficie receptora debe mantenerse en todo momento perpendicular a la dirección de la radiación solar ya que para realizar una medida correcta debe estar orientado hacia el Sol. Por tanto, es ineludible que el pirheliómetro este acoplado

28

sobre una montura ecuatorial y provista de un mecanismo de seguimiento del disco solar. Las aperturas de este dispositivo están dispuestas de forma que sólo la radiación procedente del disco solar y de una estrecha franja anular en torno al mismo alcanza el receptor, por lo que el dispositivo ha de tener un ángulo de apertura muy pequeño. El diseño más general consiste en un tubo cilíndrico pintado interiormente de negro, con el sensor colocado en uno de sus extremos mientras que el otro extremo está protegido por un cristal de cuarzo.

Figura 2. Estructura de un Pirheliómetro Fuente: (Varo, 2016, pág. 76)

Piranómetros

La medida de la radiación global se realiza por medio de piranómetros, aparatos que reciben la radiación solar de toda la bóveda celeste de forma que con ellos se puede medir tanto la radiación global como la difusa, si bien, para medir esta última es necesario instalar una banda de sombra, que bloquee la radiación directa recibida del Sol, evitando con ello la visión del disco solar en su recorrido diario.

29 Figura 3.Esquema de un piranómetro.

Fuente: (Varo, 2016, pág. 78)

Otro modelo de piranómetro de uso muy extendido es el piranómetro B/N (Blanco/Negro). Estos instrumentos también emplean una termopila, en este caso pintada de blanco y negro, como receptor. Las uniones frías de la termopila están unidas a la pintura blanca del detector y las uniones calientes a la pintura negra.

Al no requerirse mucha masa térmica para estabilizar las uniones frías, el piranómetro B/N es mucho más ligero que el anteriormente descrito. La señal es proporcional a la diferencia de temperatura entre las uniones frías y las uniones calientes. No obstante, el piranómetro B/N tiene un tiempo de respuesta considerablemente mayor que el anterior (del orden de cinco veces mayor), peor respuesta direccional y presenta el problema de la degradación de las propiedades espectrales de la pintura con el tiempo.

Figura 4. Piranómetros con distintos dispositivos de sombra para medida de la radiación difusa.

Fuente: (Varo, 2016, pág. 78)

30 b) Sensores.

Sensores para radiación total.

La irradiancia solar global se mide mediante piranómetros termoeléctricos de precisión. Su superficie receptora consta de dos anillos concéntricos, el más interno cubierto de pintura negra y el externo metálico reflectante, de forma que la medida de la radiación incidente es proporcional a la diferencia de temperaturas que se registra entre ambos anillos.

Figura 5. PiranómetroMiddleton modelo EP-07.

Fuente: (Varo, 2016, pág. 84)

Sensores para radiación ultravioleta.

Podemos distinguir tres tipos principales de radiómetros para la radiación ultravioleta, en función del tipo de medidas que realizan:

 Los que miden directamente la radiación biológicamente efectiva, como por ejemplo el sensor o ciertos dosímetros químicos. Concretamente, el sensor Robertson Berger (RB-meter) es ampliamente usado en medidas de UV-B.

Utiliza una capa fluorescente sensible a esta banda para convertir la radiación de onda corta UV-B en radiación de más larga longitud de onda. Un estudio sobre estos radiómetros muestra que la sensibilidad espectral es bastante estable tras un prolongado uso, mientras que la calibración absoluta muestra algunas fluctuaciones, especialmente en los primeros años de uso.

 Los espectrorradiómetros, que miden el flujo de radiación para longitudes de onda individuales con una anchura de banda relativamente estrecha, como por ejemplo el fotoespectrómetro Li-Cor, el Optronic 752 o el

31

espectrorradiómetro Brewer. A pesar de que proporcionan medidas con una alta resolución espectral, su adquisición y uso presenta varios inconvenientes:

son costosos, presentan poca facilidad de manejo, son muy sensibles a las condiciones ambientales de medida, como por ejemplo a las variaciones de temperatura, y no se pueden utilizar para medidas continuadas. Además, este tipo de sensores necesitan un calibrado muy cuidadoso y la realización de intercomparaciones con otros instrumentos del mismo tipo. Finalmente, la mayor parte de los espectrorradiómetros tienen poca precisión en el intervalo ultravioleta, particularmente en la porción UV-B del espectro. (Varo, 2016, pág. 86)

Sensores para variables meteorológicas.

Por último, el dispositivo experimental con el que trabajamos cuenta con sensores para distintas variables meteorológicas

 Sensor de humedad y temperatura: Se trata de una termorresistencia de platino Pt-100, alimentado mediante una fuente de intensidad de 15 mA que la unidad de adquisición de datos dispone.

 Sensor de presión atmosférica: Utiliza un sensor de presión electrónico de estado sólido, con un amplio intervalo de funcionamiento comprendido entre 600 y 1100 mb. La precisión es de ± 0,1% y el intervalo de funcionamiento desde 20ºC bajo cero a +80ºC.

c) Disponibilidad de sensores en el mercado.

Sensores tipo PLC UV/VIS:

Sirven como cabezales para la medición con alto grado de precisión de la irradiación UV y luminancias en sistemas controlados por un sistema de control lógico programable (PLC). El rango espectral, rango de medida, tensión de trabajo y la señal se pueden elegir de acuerdo a la tarea que se requiere implementar y al tipo de PLC que se utilizará. La electrónica que lo integra produce un voltaje que se transfiere al PLC con un nivel de ruido bajo, conducido por un cable blindado.

32 Figura 6. Sensores tipo PLC UV/VIS.

Fuente: (Perez, 2014, pág. 10) Radiómetro UV.

Los radiómetros UV sirven como cabezales de medición para irradiaciones UV con los radiómetros RM12 y RM22, así como con el controlador de dosis de UV- MAT. Los sensores pueden ser usados en un chorro de agua y diferentes rangos de medición. La electrónica integrada genera un voltaje de la señal que se transfiere al radiómetro con bajo nivel de ruido por un cable blindado, además, el sensor está equipado con una memoria que contiene los parámetros específicos del sensor, tales como rango espectral o de calibración. También cuenta con un sensor de temperatura, por lo tanto es posible conocer la temperatura en el núcleo del sensor.

Figura 7. Radiómetro.

Fuente: (Perez, 2014, pág. 11) OKI SemiconductorML8511-00FC.

El Sensor ML8511 es un sensor que mide la radiación UV, este sensor se puede utilizar tanto para la adquisición de la intensidad UV en interiores así como para exteriores. Este sensor está equipado con un amplificador interno, que convierte foto-corriente a voltaje en función de la intensidad UV. En el modo de apagado, la

33

corriente de espera típica es de 0,1 μA, lo que disminuirá el consumo de energía.

Sus características generales Son: Sensor óptico para la medición de rayos UV-A y UV-B con una salida analógica, dispositivo pequeño y delgado para su montaje en superficie.

Figura 8. Sensor ML8511 Fuente: (Perez, 2014, pág. 11) Sensor Ultravioleta SU-100:

El SU-100 es un sensor ultravioleta que mide radiación UV entre 250 y 400nm, cuenta con una cubierta sólida para evitar la acumulación de agua y la condensación interna en ambientes húmedos. El sensor es sensible a los rayos UV-B, pero también puede incluir la UV-A para proporcionar una medida total de la radiación UV. Este sensor es especialmente útil para la determinación de la transmitancia de rayos UV en plásticos transparentes y vidrio.

1.2.3 Modos de Transferencia de Calor.

a) Ley de Fourier-Conducción.

Ley de Fourier predice como se conduce el calor a través de un medio, partiendo de una región de alta temperatura a una región de baja temperatura.

“Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, hay una transferencia de energía desde la región de alta temperatura hacia la región de baja temperatura. Se dice que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo de calor por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura” (Holman, 1999, pág. 1).

x T A

q



  (1)

Cuando se introduce la constante de proporcionalidad k:

x kA T

q 

 

 (2)

34 Donde:

q = Rapidez de transferencia de calor (W)

k = Conductividad térmica del material de la pared (W/m°C) A = Área de la pared normal al flujo de calor (m²)

x T



 = Gradiente de temperatura en dirección del flujo de calor

El signo menos se inserta para que satisfaga el segundo principio de la termodinámica, es decir, el calor deberá fluir hacia abajo en la escala de temperatura.

b) Ley de Newton-Convección.

Se compone de dos mecanismos. Además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular aleatorio (difusión, conductivo), la energía también se transfiere mediante el movimiento global, o macroscópico del fluido. El movimiento del fluido se asocia con el hecho de que, en cualquier instante, grandes números de moléculas se mueven de forma colectiva o como agregados.

Tal movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a la transferencia de energía. Como las moléculas en el agregado mantienen su movimiento aleatorio, la transferencia total de calor se debe entonces a una superposición de transporte de energía por el movimiento aleatorio de las moléculas y por el movimiento global del fluido. (Incropera & De Witt, 1999, págs. 5-6)

Para expresar el efecto global de la convección, se utiliza la ley de enfriamiento de Newton.





hAT T

q _w (3)

Donde:

q = Rapidez de transferencia de calor (W)

h = Coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m².ºC) A = Área de la pared normal al flujo de calor (m²)

Tw = Temperatura de la superficie del cuerpo (ºC) T = Temperatura del fluido que rodea el cuerpo (ºC) c) Ley de Stefan-Boltzmann-Radiación.

La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita (…), la radiación se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. La energía del campo de

35

radiación es transportada por ondas electromagnéticas.(Incropera & De Witt, 1999, págs. 8-9)

“En los mecanismos de conducción y convección la transferencia de energía involucra un medio material, también el calor se puede transferir a través de zonas en las que exista un vacío perfecto”(Holman, 1999, pág. 9).

La energía que emiten las superficies se origina a partir de la energía térmica de la materia limitada por la superficie, y la velocidad a la que libera energía por unidad de área se denomina potencia emisiva superficial. Hay un límite superior para la potencia emisiva, que es establecida por la ley de Stefan-Boltzmann.

4 s

b T

E σ (4)

Donde:

Eb = Potencia emisiva de un cuerpo negro (W/m²) σ ₌ Constante de Stefan-Boltzmann (W/m²K⁴) Ts = Temperatura de la superficie (K)

Dicha superficie se llama radiador ideal o cuerpo negro.

El flujo de calor emitido por una superficie real es menor que el de un cuerpo negro a la misma temperatura y está dado por:

4

Ts

Eεσ (5)

Donde:

E = Potencia emisiva de una superficie real (W/m²) ε = Emisividad (adimensional)

La emisividad varía entre 0 y 1, es una medida de la eficiencia con que una superficie emite energía en relación con un cuerpo negro.

La velocidad con la que la radiación incide sobre un área unitaria de la superficie se denomina irradiación.

La velocidad a la que la energía radiante es absorbida por área superficial unitaria se evalúa a partir de una propiedad denominada absortividad, varía entre 0 y 1.

G

G_abs α (6)

Donde:

Gabs = Radiación absorbida (W/m²) α = Absortividad (adimensional)

G = Radiación total que incide sobre el cuerpo (W/m²)

36

“Si la absortividad es menor a 1, la superficie es opaca, partes de la irradiación se reflejan. Si la superficie es semitransparente, partes de la irradiación se transmiten.

Sin embargo, mientras la radiación absorbida y emitida aumenta y disminuye, respectivamente, la energía térmica de la materia, la radiación reflejada y transmitida no tiene ningún efecto sobre esta energía”(Incropera & De Witt, 1999, pág. 9).

Cuando existe intercambio de radiación entre una superficie pequeña y una superficie isotérmica más grande que rodea a la pequeña y se supone que la superficie es tal que: α (superficie gris), la velocidad neta de transferencia de calor por radiación es:

  



4 1 4

alr 4 s s

b

rad ET G T T T T

q ε α εσ  εσ  (7)

Donde:

qrad = Velocidad neta de transferencia de calor por radiación(W/m²) Talr = Temperatura de los alrededores (K)

T1 = Temperatura de superficie pequeña (K)

T2 = Temperatura de superficie isotérmica más grande (K) Hay diversas aplicaciones que es conveniente expresar la radiación como:





r

rad hA T T

q   (8)

  



2 1 2 1

r T T T T

h εσ   (9)

Donde:

A = Área de transferencia de calor (m²)

hr = Coeficiente de transferencia de calor por radiación

La ley de Kirchhoff establece que en el equilibrio térmico de un cuerpo (a una misma temperatura): α=ε. Cuando un cuerpo no está en equilibrio con sus alrededores, el resultado no es válido.

37 Tabla 1

Propiedades de algunos recubrimientos superficiales utilizados en los colectores solares de placa plana

Recubrimiento Absortividad de energía solar, α

Emisividad de radiación de onda larga, 

Pintura negro mate 0.94 0.94

Pintura negro de esmalte 0.83 0.83

Negro de humo 0.95 0.95

Negro de Ni (óxidos y sulfuros

de Ni y Zn) sobre Ni pulido 0.91-0.94 0.11

Negro de Ni (capas de Ni electrodepositado sobre acero dulce)

0.94 0.07

CuO sobre Ni 0.81 0.17

CuO sobre Al 0.93 0.11

CuO sobre Al anodizado 0.85 0.11

Fuente: (Universidad Pontificia Católica del Perú, 2003) Tabla 2

Propiedades de algunos materiales transparentes para cubiertas de los colectores solares de placa plana

Recubrimiento Transmitividad de energía solar, 

Resistencia a la intemperie Vidrio con bajo contenido de

óxido de fierro 0.875 Excelente

Vidrio con 0.01% de Fe2O3 0.915 Excelente

Vidrio templado 0.786 Excelente

Plexigas (acrílico) 0.796 Regular

Lexan (policarbonato) 0.726 Bueno

Mylar (poliester) 0.801 Pobre, degradación a UV

Fuente: (Universidad Pontificia Católica del Perú, 2003)